强震下单层柱面网壳损伤及失效机理研究

基于结构损伤理论,对单层柱面网壳在强震下的失效机理进行研究。单层柱面网壳在强震下不仅会发生动力失稳,也可能由于过度塑性发展导致动力强度破坏的模式。对于动力强度失效的研究,应当在分析中考虑材料损伤累积以及断裂效应的影响。为在有限元分析中包含这一影响因素,编制了基于通用有限元软件ABAQUS的用户材料子程序,具有较高的计算精度和较好的收敛性。应用其对单层柱面网壳在强震下的响应进行参数研究,并与基于理想弹塑性材料时的响应对比,讨论考虑材料损伤对网壳失效特征的影响。将单层柱面网壳在强震下失效时刻的多项特征响应进行统计分析,拟合了能够表征网壳损伤程度的损伤模型,建立单层柱面网壳在强震下的失效判别准则。针对实际工程抗震设计中采用损伤累积本构模型计算的困难,提出网壳结构失效极限的简化判别方法。     

近场与远场地震动作用下单层柱面网壳结构易损性分析

与远场地震动不同,近场速度脉冲型地震动具有瞬时能量大、幅值大、脉冲周期长等特点,但目前少有学者关注其对网壳结构的影响。以三向网格型单层柱面网壳为研究对象,采用40条近场速度脉冲型地震动及40条远场地震动作为输入,对9例网壳结构进行增量动力分析,基于分析结果建立网壳结构的概率地震需求模型及抗震能力模型,获得网壳结构的易损性曲线,并对比研究两组地震动作用下网壳结构的极限状态失效概率。结果表明：与远场地震动相比,近场速度脉冲型地震动会造成单层柱面网壳结构更为严重的损伤,且损伤指数的离散性更大;近场速度脉冲型地震动作用下单层柱面网壳结构的极限状态失效概率要显著大于远场地震动作用下的极限状态失效概率。     

冲击作用下单层柱面网壳的失效模式

为探讨单层柱面网壳在冲击荷载作用下的破坏过程、动力响应及失效模式,应用ANSYS/LS-DYNA建立20m跨度三向网格型单层柱面网壳模型,并对其进行冲击荷载作用下的全过程仿真模拟.通过对特定算例的分析,展示冲击荷载下网壳的破坏过程及结构的动力响应.根据结构破坏过程及最终形态提出单层柱面网壳在冲击荷载作用下的失效模式,并与单层球面网壳的分析进行对比.     

在地震作用下单层柱面网壳的动力响应分析

针对单层柱面网壳在地震作用下的动力响应,利用有限元动力分析软件ANSYS进行了分析研究,通过研究表明:研究在地震作用下单层柱面网壳的动力响应时应该考虑下部结构的整体效应.     

单层柱面网壳在强震下的破坏机理研究

柱面网壳的结构形式、受力特性与其他网壳结构不同,造成其在强震下破坏机理的特殊性。采用基于结构响应的全过程分析方法,利用软件Abaqus,综合宏观、微观响应指标,对单层柱面网壳进行大规模的参数分析,探求其在强震下的破坏机理。通过典型算例的分析比较,确定了单层柱面网壳的破坏模式及其特征,总结了临界荷载的确定方法。在大量计算数据统计的基础上,提出了单层柱面网壳实用的动力破坏判别准则。单层柱面网壳在强震下可能出现的动力失稳破坏突然,破坏时塑性发展浅,结构刚度几乎没有削弱,结构位移小。单层柱面网壳在强震下强度破坏也可能出现,情况与前不同,其中强度破坏包括强度破坏Ⅰ和强度破坏Ⅱ,强度破坏Ⅱ有明显失稳现象而强度破坏Ⅰ没有。动力实用判别准则以最大节点位移和8p比例为参考指标,用来确定强度破坏Ⅰ和强度破坏Ⅱ极限荷载。对考虑损伤的柱壳破坏机理进行了初步探讨,损伤对不同的结构影响不同,给出了工程设计中损伤降低系数的建议值。     

铝合金单层柱面网壳结构稳定性能研究

通过MIDAS有限元软件对铝合金单层柱面网壳结构稳定性进行了弹塑性稳定分析,分析了矢跨比、结构网格密度、边界支承条件和初始缺陷对柱面网壳整体稳定承载力的影响。根据不同影响因素共设计了数百例柱面网壳,并对其进行有限元分析,为铝合金单层柱面网壳结构整体稳定设计提供了一定的理论基础。     

余震对单层网壳结构动力损伤累积效应的影响分析

为了研究余震作用对单层网壳结构动力性能的影响,基于材料的应变-损伤本构模型,建立考虑地震损伤累积效应的有限元分析模型.运用非线性动力弹塑性分析方法,对一K8型单层网壳结构进行考虑主震和余震共同作用的动力损伤分析.结果表明:当主震为小震、中震或大震时,较小余震作用对结构动力性能影响可以忽略;而主震为强震时,余震对结构动力性能影响显著,结构可能在较小余震作用下发生局部动力失稳或整体倒塌现象.本文成果可为单层网壳结构抗震设计、评估与震后修复提供参考.     

强震下单层纵边支承柱面网壳连续倒塌模式及机理

对单层纵边支承单斜杆柱面网壳进行连续倒塌全过程的非线性仿真计算,通过对地震过程中结构构件变形、受力、损伤等参量发展特征的研究分析,提出纵边支承柱面网壳强震条件下的"双斜杆断裂带"连续倒塌模式,并把该模式分为三阶段,阐述了结构连续倒塌全过程的机理.分析了不同地震峰值加速度条件下这三个阶段中结构重心竖向位移的变化特征,在此基础上提出了适用于单层柱面网壳结构的性态水平描述,并建立基于结构重心竖向相对位移的损伤评估指数.     

矢跨比对单层柱面网壳动力稳定性能影响

以单层柱面网壳结构为研究对象,利用汶川地震波对该类结构进行了时程地震反应分析,考察了结构的地震响应和抗震性能,研究了其在地震作用下的动力失稳特点。选取了投影尺寸相同、矢跨比不同的单层柱面网壳,分析了矢跨比对单层柱面网壳动力稳定性能的影响。     

损伤对单层柱面网壳在强震下破坏影响

利用通用有限元分析软件Abaqus,采用宏观、微观响应指标,通过对比理想与损伤两种情况下结构响应的差异,研究强震下损伤对单层柱面网壳破坏的影响。     

屋面系统对单层球面网壳稳定性及地震响应的影响研究

单层球面网壳的静力稳定性及抗震性能已经取得较为系统的研究成果,但在传统的研究方法中,学者们只考虑结构部分,忽略了屋面板、吊顶、隔墙等非结构构件的影响;其中,屋面系统作为一类非结构构件,其平面刚度较大、在动力荷载下的阻尼也较大的特点会在一定程度上影响结构的受力特性。因此,选取考虑屋面系统的单层球面网壳作为研究对象,开展屋面系统对于单层球面网壳弹塑性稳定性及抗震性能的影响研究。采用有限元分析软件ABAQUS分别建立带屋面系统单层球面网壳和传统单层球壳的数值模型;通过弧长法分别对两种模型进行均布荷载作用下的非线性数值模拟,对比分析屋面系统对单层球面网壳弹塑性稳定承载力的影响;对考虑屋面系统的网壳结构进行不同地震荷载作用下的时程动力分析,采用基于响应的分析方法,考察屋面系统对于网壳结构抗震性能的影响,得到屋面系统会显著提高网壳整体刚度、增强结构抗震能力的结论;本研究可为以后网壳结构的理论研究及工程实践提供一定的参考。     

Failure mechanism of single-layer saddle-curve reticulated shells with material damage accumulation considered under severe earthquake

This paper presents the study on failure mechanism of single-layer saddle-curve reticulated shells subjected to severe earthquake. Failure mode of single-layer saddle-curve reticulated shells is illustrated with the consideration of material damage accumulation. The effects of different parameters on failure characteristics of single-layer saddle-curve reticulated shells are discussed. The influence of substructure upon failure behaviors of single-layer saddle-curve reticulated shells is particularly investigated. It is observed that dynamic strength failure is the failure mode of single-layer saddle-curve reticulated shells. The substructure has great influence on failure characteristics of single-layer saddle-curve reticulated shells subjected to the severe earthquake.     

柱面拱支网壳静力性能分析

拱支网壳结构体系是在综合了网壳(网架)及拱结构的优点的基础上,构思出的一种新型大跨度空间杂交结构形式。通过与一般柱面单层网壳结构的对比,对不同矢跨比的单层柱面拱支网壳结构考虑不同拱肋配置下的静力性能,特别是结构极限承载能力及对初始几何缺陷的敏感性进行了分析比较。介绍了几个采用单层柱面网壳结构作为屋面结构的工程实例及其采用拱肋加强后的实际效率。理论分析结果及工程应用表明,在拱结构的帮助下,柱面单层拱支网壳结构的静力性能得到了明显的改善。     

考虑下部支承效应的单层柱面网壳结构抗震性能研究

为研究下部支承对单层柱面网壳整体结构抗震性能的影响,建立了包含下部支承的整体结构有限元模型。通过增量动力分析方法对典型算例开展参数分析,分析了下部支承刚度、屋面荷载等参数对整体结构抗震性能的影响规律。结果表明：考虑下部支承与单层柱面网壳的耦合效应后,结构的自振频率减小,整体结构的刚度明显减弱;单层柱面网壳耦合体系的强震失效模式为强支承结构的网壳动力强度破坏与弱支承结构的支承动力强度破坏;随着支承刚度的增加,整体结构的承载力先减小后增大,网壳结构的塑性发展程度先增加后减小,下部支承结构的塑性发展程度逐渐减小;支承刚度越大,屋面荷载对结构承载力的影响越明显,整体结构的承载力随着屋面荷载的增加逐渐降低;考虑下部支承后整体结构的承载力降低了42.4%~85.5%,降低的原因主要包括下部支承结构的动力放大作用和柱间的不同步效应。     

Elasto-plastic instability of single-layer reticulated shells under dynamic actions

This paper addresses the issue on dynamic collapse mechanism of single-layer reticulated shells subjected to harmonic load, sudden load and seismic load. The method for failure mechanism has reviewed the relationship between the response of the reticulated shell and the peak acceleration of dynamic action. Besides, the steel damage accumulation is considered in the method by compiling a user subroutine based on the computing program ABAQUS. An example is introduced to describe dynamic instability collapse resulting from geometric nonlinearity of the shell and the other example is presented to describe strength failure resulting from excessive development of plastic deformation, for it is discovered that the structure is not only to be prone to instability collapse in dynamic action. According to the responses of the single-layer reticulated shell under dynamic loads, this study discusses the relationship between the failure model and the corresponding dynamic load parameters. Then, the method for distinguishing failure modes is proposed based on the fuzzy synthetic evaluation theory and the structural responses of sufficient samples at the failure state. The technique feasible to be used to distinguish different failure modes of single-layer reticulated shells under different dynamic loads is validated.     

北京新机场装配式单层铝合金网壳结构整体稳定性能研究

以北京新机场装配式单层铝合金网壳结构作为研究对象,建立了其装配式节点——板式节点及考虑节点性能的单层铝合金网壳的有限元模型,分析了板式节点的力学性能及节点性能对单层铝合金网壳稳定性能的影响。研究表明：板式节点刚度良好,破坏表现为不锈钢拉铆钉剪切破坏、连接板拉剪破坏和杆件在螺栓孔处承压破坏;北京新机场装配式单层铝合金网壳结构的整体稳定性能良好,承载力约为刚接网壳结构的90%,满足JGJ 7—2010《空间网格结构技术规程》的要求;由于铝合金材料无明显的屈服台阶,弹性模量较小,考虑几何非线性和材料非线性的稳定承载力比仅考虑几何非线性的稳定承载力降低约30%,结构发生弹塑性失稳,结构失稳形态表现为网壳结构在靠近长轴右端出现凹陷。     

正三角形立体管桁架与单层柱面网壳杂交结构的设计与分析

将正三角形立体管桁架和单层柱面网壳结合起来形成一种新型波浪式屋盖造型的结构体系,可充分发挥两种结构形式的优点。通过分析结构设计的计算结果发现,结构对地震反应较弱,静力计算下结构各杆件的内力均大于多遇地震计算,强度及刚度主要由静力计算决定。在对其进行设计的基础上,分别采用SAP 2000、ANSYS对结构进行动力弹塑性分析、线性屈曲分析和考虑初始缺陷的非线性全过程屈曲分析;在罕遇地震作用下结构只出现少量塑性铰,呈"梁铰破坏"机制,满足延性设计要求,弹塑性位移角均满足规范要求,结构抗震性能良好;在稳定性分析中,结构表现为中部网壳的局部失稳,结构具有较高的稳定承载力。因此结构薄弱部位应在设计中予以加强。     

应用摩擦摆支座的单层球面网壳地震响应分析

为研究摩擦摆支座对网壳结构抗震性能的影响,本文分析摩擦摆支座的隔振机理,应用LS-DYNA有限元软件对摩擦摆支座进行实体建模,并验证该种建模方法的正确性。将静力作用下的铰支座和摩擦摆支座单层球面网壳的力学性能进行对比,结果表明应用摩擦摆支座使网壳结构的初始变形增大;在此基础上,对应用摩擦摆支座的单层球面网壳施加不同强度的地震动,从杆件轴力、节点加速度和节点相对位移三个方面对结构的动力响应特性进行分析,并讨论摩擦摆支座在单层球面网壳结构中的有效性和适应性,得到随着地震动强度的增加,轴力振动幅值减小的杆件数目及加速度和相对位移减小的节点数目也是增加的结论。最后,通过对最外环杆件截面加强,对应用摩擦摆支座的单层球面网壳同样进行地震响应分析,讨论外环杆件加强对结构抗震性能的影响。